視頻顯示器市場分為：大批量應(yīng)用，如臺式機、筆記本顯示器和電視機面板;中等批量應(yīng)用，如小型人機接口(HMI)面板和大尺寸數(shù)字標(biāo)牌。本文將探討的是大尺寸顯示器面板應(yīng)用(表1)，其中FPGA是一個備受關(guān)注的選擇，它可以滿足緊迫的產(chǎn)品周期和大量的高速接口和處理需求。
有3個常用的顯示標(biāo)準(zhǔn)：7:1低壓差分標(biāo)準(zhǔn)(LVDS)，數(shù)字視頻接口(DVI)和高清多媒體接口(HDMI)。
7:1 LVDS
需要一個集成的LCD顯示屏的應(yīng)用通常使用7:1 LVDS連接。7:1接口采用了低壓差分信號(LVDS)I/O標(biāo)準(zhǔn)。VESA(視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會)定義了LCD顯示器的7:1 LVDS接口。它在筆記本電腦和上網(wǎng)本中非常常見，用于將主板連接到LCD屏幕(圖1)。LCD顯示器的每一個像素都由紅、綠、藍(lán)(RGB)三個元素組成，可構(gòu)成顯示屏上所有可能的顏色。
為便于數(shù)字顯示數(shù)據(jù)至LCD顯示屏的傳輸，并盡可能地減少連接，可將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行格式。7:1 LVDS標(biāo)準(zhǔn)使用3或4個LVDS數(shù)據(jù)通道和一個LVDS時鐘通道。更高分辨率的顯示器將使用4個LVDS數(shù)據(jù)通道和一個LVDS時鐘。在一個時鐘周期內(nèi)，每條數(shù)據(jù)線上有7個串行數(shù)據(jù)位(圖2)，即數(shù)據(jù)傳輸速率比時鐘周期快7倍。如果3個LVDS數(shù)據(jù)通道正在傳輸數(shù)據(jù)(例如從一臺筆記本電腦的主板開始)，那么每種顏色的RGB數(shù)據(jù)將包含6個數(shù)據(jù)位，加上HSYNC、VSYNC和DATA ENABLE(DE)，一共有21位。然后，這些位串行傳輸?shù)絃VDS差分通道。
萊迪思半導(dǎo)體(Lattice)提供了一個非常有效的參考設(shè)計，同時支持LatticeXP2、LatticeECP2M和LatticeECP3 FPGA中的7:1 LVDS接收與發(fā)送。即使是極小外形封裝的最小器件也都支持多個接口。
7:1 LVDS應(yīng)用：圖形多路開關(guān)
7:1 LVDS的一個示例是圖形控制多路復(fù)用器，或GMUX(圖3)，該器件被設(shè)計用于選擇使用筆記本電腦中兩個圖形控制器中的哪一個來驅(qū)動LCD屏幕。這些筆記本電腦有兩個7:1 LVDS視頻源，即CPU/芯片組中的集成圖形控制器(iGFX)和獨立顯卡控制器(dGFX)，可用來驅(qū)動一個LCD顯示屏。iGFX專為低功耗和較低要求的任務(wù)而優(yōu)化，例如文字處理或者使用電池供電的視頻回放;而dGFX專為更高性能和更密集型顯示應(yīng)用而設(shè)計，如游戲或視頻編輯。
數(shù)字視頻接口(DVI)
數(shù)字視頻接口(DVI)標(biāo)準(zhǔn)由數(shù)字顯示工作組(DDWG)于1999年發(fā)布。DVI包含1個差分時鐘和3個差分源同步串行數(shù)據(jù)通道(圖4)。傳輸?shù)娘@示數(shù)據(jù)是未壓縮的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。對于每一個時鐘周期，將傳輸10位數(shù)據(jù)。正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是視頻數(shù)據(jù)或是控制信息，但不包含音頻信息。DVI線纜常被用于連接到外部LCD顯示器。DVI數(shù)據(jù)速率范圍為250Mbps到2.25Gbps。
DVI規(guī)范還支持雙DVI，通過將數(shù)據(jù)通道由3通道變?yōu)?通道，基本上可以使傳輸或接收的數(shù)據(jù)量增加一倍。其主要目的是連接至大顯示器(30英寸及以上)，這類顯示器也可能有更高的色彩要求(高達(dá)48位色深)。
萊迪思實現(xiàn)了同時支持DVI TX和RX功能的參考設(shè)計。該設(shè)計利用了LatticeECP3或LatticeECP2M FPGA系列中的CML SERDES通道，來支持更高速率的DVI傳輸。這一設(shè)計利用了SERDES中內(nèi)置的PLL來恢復(fù)源同步數(shù)據(jù)。通過以這種方式實現(xiàn)DVI接口，可以在低成本FPGA中實現(xiàn)全速1.65Gbps速率。因為在ECP3或ECP2M FPGA中的PLL被設(shè)計用于支持各種頻率，萊迪思DVI參考設(shè)計可自動支持各種顯示分辨率。鑒于DVI參考設(shè)計將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RGB，操作圖像將非常簡單，一旦轉(zhuǎn)換為RGB格式，就可以縮放和旋轉(zhuǎn)圖像，甚至可以疊加其他屏幕上的內(nèi)容到圖像上。
DVI應(yīng)用：擴展器
有許多應(yīng)用或者由于物理空間上的困難，或者需要降低系統(tǒng)擁有成本(遠(yuǎn)程虛擬桌面)，因而難以將視頻源(例如PC)靠近顯示器。DVI規(guī)范要求的傳輸長度為5米，高品質(zhì)線纜可將其擴展到10米，但它們不可能做到完全無損。此外，DVI線纜體積很大，這會使其在某些環(huán)境下受限。由于這些問題，DVI擴展器已越來越受到歡迎。擴展器通常用于PC服務(wù)器的機架安裝以及消費類和工業(yè)數(shù)字標(biāo)牌。
在這個例子中(圖5)，臺式機是DVI信號源，它將DVI數(shù)據(jù)驅(qū)動到FPGA。通過三條數(shù)據(jù)通道將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行的RGB信息，然后合并起來以便能夠在一根更高速率的數(shù)據(jù)線上傳送。然后，該聚合的單數(shù)據(jù)通道信號通過SERDES引腳發(fā)送到光收發(fā)器。光收發(fā)器將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，并通過光纖發(fā)送數(shù)據(jù)。使用光纖的優(yōu)勢在于它支持臺式機和LCD顯示器之間的長距離傳輸。此外，光纖柔軟且較細(xì)，非常適合安裝。在光纖的接收端，另一個光收發(fā)器將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，并將信號發(fā)送到FPGA上的接收SERDES。接著該單數(shù)據(jù)通道分離出RGB數(shù)據(jù)，以便能進(jìn)行串行化。三根串行數(shù)據(jù)線和時鐘信號都將被傳輸?shù)紻VI線纜，并最終發(fā)送到LCD顯示屏上。
雙DVI應(yīng)用：分割器
電視墻被廣泛地用于需要高分辨率和大屏幕顯示的應(yīng)用中，包括酒店、火車站、機場、零售商店等場所中用于廣告/營銷信息的數(shù)字標(biāo)牌。廣播、體育場館、娛樂場所等娛樂相關(guān)的應(yīng)用也使用了電視墻。其他應(yīng)用還有用于遠(yuǎn)程手術(shù)和診斷的醫(yī)療成像。
常見電視墻的實現(xiàn)包括一個用來驅(qū)動幾個大型顯示器的顯卡底座。為降低成本，即采用單個顯卡和數(shù)量更多但尺寸較小的顯示器(利用LCD的降價優(yōu)勢)，需要使用視頻分割器(圖6)。
由于信號源視頻帶寬需要滿足大屏幕上的顯示，因此需要使用雙DVI接口。免授權(quán)費的雙DVI接口具有成本優(yōu)勢，因為消費類和企業(yè)級顯示器市場均廣泛采用DVI。另一方面，也需要將普通的DVI接口推廣到商用顯示器上。
HDMI
HDMI(高清晰度多媒體接口)標(biāo)準(zhǔn)擴展了DVI標(biāo)準(zhǔn)。這兩個接口都使用了差分時鐘和三根信號源同步數(shù)據(jù)線，它們還都使用TMDS信號機制來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。HDMI不同于DVI之處在于，它還可以同時在視頻和音頻通道上傳送數(shù)據(jù)。由于HDMI與DVI信號電氣兼容，這兩種接口之間不需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。并且，它們之間的轉(zhuǎn)換不會影響視頻質(zhì)量。HDMI是實際上存在的電視標(biāo)準(zhǔn)，而且還常用于高端的LCD顯示器。
所有的HDMI鏈路都必須支持RGB格式，也可以支持其他標(biāo)準(zhǔn)，但只有RGB格式向后兼容DVI。HDMI鏈路上的視頻數(shù)據(jù)使用8b10b編碼，控制數(shù)據(jù)使用2b10b編碼，音頻數(shù)據(jù)使用4b10b編碼。萊迪思公司提供了一個參考設(shè)計，通過擴展上述DVI PHY參考設(shè)計來支持額外的HDMI PHY編碼要求。
HDMI版本1.0-1.2具有高達(dá)1.65Gbps的鏈路速度，支持1080p60和8聲道音頻，適用于HDTV、DVD和藍(lán)光播放器或WUXGA(1920×1200)@60Hz的顯示器。HDMI的音頻功能支持多達(dá)8個未壓縮的音頻通道，可用于7個環(huán)繞立體聲揚聲器和一個重低音揚聲器?，F(xiàn)在甚至需要更快的速率來支持更高的分辨率、更快的刷新率、色彩深度和3D視頻。HDMI標(biāo)準(zhǔn)1.3-1.4將鏈接速度提高到3.4Gbps。
高帶寬數(shù)字內(nèi)容保護(hù)(HDCP)是一個可選的格式，用于加密通過HDMI鏈路發(fā)送的數(shù)據(jù)。很多DVD、藍(lán)光光盤和音頻CD都采用HDCP編碼。通常，嵌入式應(yīng)用、個人視頻和廣告或工業(yè)用數(shù)字標(biāo)牌無需使用HDCP。
HDMI應(yīng)用：組合器
萊迪思提供的DVI參考設(shè)計還支持HDMI PHY接口。視頻會議切換應(yīng)用需要音頻和視頻處理。在該應(yīng)用中(圖7)，多個HDMI信號源(視頻和音頻)被接收，并且輸出顯示在一個屏幕上。每個HDMI信號源可以是一個本地PC的HDMI線纜，或者通過網(wǎng)絡(luò)或背板提供HDMI輸入。無論使用怎樣的HDMI數(shù)據(jù)輸入方式，都必須將每個輸入的視頻和音頻分開，然后將每個RGB視頻流匯集并顯示在一個屏幕上。
還需要從每個HDMI信號源提取音頻。一旦每個音頻源被分開，就可以識別是誰在發(fā)言。有了這一信息，該設(shè)計便能夠“知道”以下信息：哪個視頻(有效發(fā)言者)需要放在較大的窗口顯示;哪些視頻需要縮小放在較小的窗口顯示;哪個音頻(有效發(fā)言者)應(yīng)嵌入到HDMI數(shù)據(jù)流;哪些(其余的)音頻應(yīng)該靜音。
For this application, Lattice Semiconductor provides the basic building blocks to receive and transmit HDMI sources.
對于這種應(yīng)用，萊迪思半導(dǎo)體提供了基本的組成部件，用于接收和發(fā)送HDMI信號源。
本文小結(jié)
FPGA提供了一個低成本、低功耗的設(shè)計解決方案，具有可重新編程、靈活和多功能的特點。這意味著電路板無需重新布局，并且可以實現(xiàn)更快的產(chǎn)品上市時間。因此，FPGA已成為一個備受關(guān)注的選擇，可以滿足緊湊的產(chǎn)品周期，以及7:1 LVDS、DVI和HDMI所需的高速接口和處理要求。
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